考虑人为因素的盾构隧道风险分析和控制模型研究

郑新定，王红卫，周 健

(1.中铁隧道勘测设计院有限公司，河南 洛阳 471009;2.上海建工集团工程研究总院，上海 201114;3.同济大学地下建筑与工程系，上海 200092)

0 引言

随着对地下空间的开发利用，地下工程安全建设显得日益重要。孙钧［1］认为风险管理虽然已是工程管理的一个重要组成部分，但中国大陆工程界在该领域还有大量亟待解决的具体问题需要进一步深化研究。钱七虎等［2］根据国际隧道工程保险集团对施工现场发生安全事故原因的调查结果，即18%的工程事故是由不可抗力造成的，而82%的工程事故与人为失误密切相关，指出由于目前国内勘查设计失误导致的风险责任界定不清，而这些风险往往到施工时才反映出来，显然由施工方完全承担这些风险显得不够合理。Thevendran V.等［3］则认为必须把人为因素纳入建设项目的风险管理中，以查明人为风险对建设项目的影响。由此看来，分析风险事故背后的人为失误进而采取有效的控制措施对于隧道工程的安全建设意义重大。

土木工程领域对人为因素的影响作用关注比较晚，近期也有一些研究成果，如:Steward［4－5］认为工程结构的计划、设计、施工与使用过程中，人是薄弱环节，并以问卷的方式对人为差错的发生与影响进行了系统调查，提出了钢筋混凝土构件中人为差错的模拟方法。Canto-Perello［6］提出人为因素是隧道设计的重要参数，并规划设计了适合于工作人员的工作环境。文献［7－9］提出了基于人为因素的风险分析和风险控制的方法，该方法主要通过建立和完善相应的S-Reason模型，找出不同层次和不同界面的风险薄弱点，通过对薄弱点采取控制措施，进而达到对风险事故的控制，作为初期研究，这些成果还有待完善。基于以上研究成果和现状，本文结合盾构隧道工程的特点，针对S-Reason模型在量化计算和风险控制方面的不足，提出了S-Reason分析及控制模型，以突出风险控制措施的经济性、安全性和实用性。

1 S-Reason分析及控制模型的构建及特点

人为失误分析是人为因素研究的主要内容之一，分析人为失误的经典模型很多，但这些模型又各具一定的局限性［10］。S-Reason模型是唐群燕在分析了SHEL模型和Reason模型不足的基础之上提出来的。唐群燕［7］认为SHEL模型突出了人的重要地位，横向分析了人为差错的发生点所在，但未把前期决策、管理、监督等因素包含在内，因此不能深层次分析人为失误;而Reason模型可从深层次的角度分析人为因素各环节的漏洞，但对人为失误的发生点定位不够全面。基于以上2点将SHEL模型嵌入到Reason模型的防御层中就形成了S-Reason模型。类似的模型还有谢放提出的 Reason-SHEL Model［11］。

S-Reason模型兼备了SHEL模型和Reason模型的优点，但该模型只能查明人为失误发生的不协调界面，不能反映控制人为失误的难易程度，并且该模型不能提供经济合理的人为失误控制措施，也不能及时反馈控制措施的效果。以上2点说明S-Reason模型有待进一步的改进和完善。

1.1 S-Reason分析及控制模型的构建

首先，与S-Reason模型相似，S-Reason分析及控制模型将SHEL模型镶嵌到Reason模型中的每一个防御层中，用于分析各环节的人为失误及其所属的不协调界面，如图1所示。

图1 S-Reason分析及控制模型Fig.1 S-Reason analysis and control model

其次，对各个不协调界面上的人为失误赋予控制难度权值，用来反映相应人为失误的控制难易程度，最终目的是通过对人为失误的定量计算，找出风险的最优控制路径。

最后，确定模型的反馈路径。根据安全控制人为失误的先决条件［12］，图1中的不安全行为属于显性失误，是隐性失误作用的结果和导致事故发生的直接因素，是容易被发现的失误，所以路径Loop 2能及时反馈操作中的不安全行为，为安全控制提供了时机。相比之下，以Loop 2作为反馈路径较为合理。

1.2 S-Reason分析及控制模型的特点

S-Reason分析及控制模型继承了前身所具有的优点:既能横向分析人为差错发生的界面，又能纵向分析人为差错的深层次原因，对不安全事件的人为失误的分析较为全面。

该模型可根据人为失误的控制难易程度，找出风险事故的最优控制路径，该路径可同时兼顾经济性和安全性;Loop 2具有信息反馈灵敏的优点，能够及时反馈防御层中对隐性人为失误的控制效果，可为阻止事故的发生赢得时间。

2 盾构隧道的S-Reason分析及控制模型

2.1 盾构隧道模型的组成

结合盾构隧道的工程特点，介绍一下S-Reason分析及控制模型的组成。

2.1.1 盾构隧道的Reason模型

在盾构隧道工程中，Reason模型中4个防御层的含义如下:

1)组织层。组织层是由盾构隧道项目的决策管理人员组成的，包括建设方、勘察方、设计方、监理方和施工方的决策管理者。该层中的人为失误主要是指由一方组织内或几方组织间的规划目标、决策方案、资源分配方案等制定不当、协调不足等因素。

2)监督管理层。监督管理层的主要任务是保证盾构隧道项目的既定方案和规划目标的顺利实现，包括建设单位人员、施工单位管理人员、设计单位人员、勘察单位管理人员和监理单位人员等。此层中容易出现的人为失误包括管理方式不当、任务分配不合理、制度措施制定不完善、发现问题不及时解决、不能及时发现潜在风险和违法违规等方面的因素。

3)不安全行为前提条件层。不安全行为的发生都是有预先条件的，此层以一线人员的心理、生理、技能、知识为中心，包括了其他各方面的影响因素，如环境、机械设备、工作氛围等方面的因素。

4)不安全行为层。该层的不安全行为指的是一线人员的具体失误行为，其产生的主体是一线勘察人员和一线施工人员。盾构隧道工程的不安全行为很多，如勘探过程中判断失误、疏忽造成勘探孔深度不够和仪器设备操作失误等。

2.1.2 盾构隧道的SHEL模型

在盾构隧道工程中，SHEL模型中5个要素的含义如图2所示。

图2 盾构隧道工程中的SHEL模型Fig.2 SHEL model in shield tunnel projects

人与其他4个元素之间的关系即界面的含义如下:

1)人－人界面(L－L)指人与人之间的关系。如人与人之间的领导、管理、监督、交流、合作等关系。

2)人－硬件界面(L－H)指人与机械、设备、仪器之间的关系。从根本上讲，硬件的设计应以人为核心，其开发、配备要以促进安全、提高效率、方便使用为目的，如盾构机的设计、操作等是否符合人的生理和心理特性等。

3)人－软件界面(L－S)指人与其工作场所中的支持系统之间的关系。在盾构隧道工程中，两者的关系主要表现在人对施工技术、规程、监理监测技术、施工知识和技能的掌握，而有关的安全管理制度要体现出以人为本的理念。

4)人－环境界面(L－E)指人与内部、外部环境之间的关系。盾构隧道工程中两者的关系主要表现为企业文化、工作氛围、社会政治经济条件等对工程人员的影响;除了对以上环境条件的反作用外，工程人员还应具有足够的技能和知识以应对复杂的水文地质条件。

2.2 盾构隧道模型的人为失误

为分析风险因素的人为致因，将风险因素作为S-Reason分析及控制模型中的事故，找出造成事故的各个层次和界面的人为失误，在3位高级工程师的指导下，最终的分析结果见表1。

为反映控制人为失误的难易程度，对相应的人为失误赋予控制难度权值，权值范围为1～4，权值越大，则表示对其控制的难度越大。表1括号内的数字是3位高级工程师建议的控制难度权值。

2.3 盾构隧道模型的应用流程

为了介绍S-Reason分析及控制模型的应用，本节采用坐标轴方法进行分析，如图3所示。平面继承了SHEL模型;XOY平面表示随时间的推移，继承了Reason模型。

图3 盾构隧道的S-Reason分析及控制模型Fig.3 S-Reason analysis and control model for shield tunnels

图3中纵栅线Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ分别代表Reason模型的组织层、监督管理层、不安全行为前提条件层和不安全行为层;直线代表事故链，直线右端的箭头代表事故链的发展方向;平行于OX轴的虚线代表不同界面的分界线，分别用于区分人(L)与人(L)、环境(E)、软件(S)、硬件(H)的关系界面。如果界面上存在漏洞，则表明该界面上产生了人为失误，如漏洞A5表示组织层上界面L－E处发生了人为失误。直线a，n表示没有穿过所有的防御层，直线m，b和c表示穿透所有防御层，形成了完整的事故链，意味着风险事故发生。

表1 盾构隧道工程中的人为失误及其控制难度权值Table 1 Human errors and corresponding control difficulty weights in shield tunnel projects

预防风险事故发生的措施就是要阻止事故链的形成，但阻止事故链的形成路线并非唯一。在图3中阻止事故链m，b和c形成的路径较多，如B4－C7，B4－D2，C8－D2－D5等;从图3中可以看出，只要控制B4和C7就能预防所有事故的发生，但这并不意味着B4－C7就是预防事故的最优控制路径，如果B4和C7的漏洞难以控制或成本太高，则可选择其他路径(如B4－D2，C8－D2－D5等)来预防事故的发生，所以针对风险事故，应结合具体条件，按照安全经济的原则选择最优的路径进行控制。

总结以上分析，盾构隧道工程中S-Reason分析及控制模型的步骤如下:

1)根据主要的人为失误设计出专家调查表，格式如表1所示，调查造成具体风险的主要事故链。2)对主要事故链进行排序，并以人为失误变量为名称，以事故链序号数为元素建立集合。3)根据人为失误的控制难度权值，查找风险事故的最优控制路径。为截断造成同一事故的所有事故链，同时还要保证控制措施的经济性，所以在满足子集的并集是所有事故链序号数组成的集合的条件下，求解子集权值和最小的集合，该集合中的子集构成了风险事故的最优控制路径。4)对最优控制路径中的人为失误采取相应的控制措施，并通过反馈路径Loop 2及时反馈控制措施的效果和不足。

流程图如图4所示。

图4 风险分析及控制流程图Fig.4 Flowchart of risk analysis and control

3 工程应用及结果分析

3.1 工程应用

以盾构隧道工程中管片密封材料损伤破坏的风险为例，应用盾构隧道的S-Reason分析及控制模型进行风险分析和风险控制。

1)利用专家调查表对21名一线工程师进行调查，统计调查结果并将造成管片密封材料损伤破坏的事故链如图5所示，图中变量符号的意义与表1一一对应。

图5 管片密封材料损伤破坏的事故链Fig.5 Accident chains of damage and failure of segment sealing material

2)根据图5的调查结果，建立各环节人为失误变量的集合，如图6所示。

图6 管片密封材料损伤破坏的变量集合Fig.6 Variable sets of damage and failure of segment sealing material

3)在满足子集的并集是所有事故链序号数组成的集合的条件下，根据所有路径的权值和，选出最小权值和作为管片密封材料损伤破坏的最优控制路径，计算结果为:C1—B4—D3—A9—C7—D9—C4—C6;最小权和等于16。

4)根据人为失误产生的界面，对最优控制路径中的人为失误采取控制措施，如表2所示，同时要及时反馈控制措施的效果。

3.2 结果比较

为了突出S-Reason分析及控制模型的功能特点，将该模型的控制措施与常规风险控制方法的措施进行对比，结果如表2所示。

从表2可以看出，S-Reason分析及控制模型重视组织和个人因素的影响，在兼顾工程经济性和安全性的前提下，找出了管片密封材料损伤破坏的最优控制路径为 C1—B4—D3—A9—C7—D9—C4—C6;而常规风险控制方法忽视了组织因素的影响，很少或不能分析出导致管片密封材料损伤破坏的事故链。

S-Reason分析及控制模型提供的控制措施涉及到4个层面，使得工程参与单位作为整体应对施工风险，有利于提高工作效率和风险控制效果;而常规风险控制方法的控制措施主要是对管片密封材料检验工序的强化，容易增加一线人员对正常施工工序的工作强度。

4 结论与建议

针对S-Reason模型的不足，本文提出的S-Reason分析及控制模型的改进之处在于:对各个层次和界面上的人为失误赋予控制难度权值，用于反映相应人为失误的控制难易程度，进而用于确定风险事故的最优控制路径;阻止最优控制路径中的人为失误以防止风险事故链的形成，并利用Loop 2作为控制效果的反馈路径。

表2 S-Reason分析及控制模型与常规风险控制方法的分析比较Table 2 Comparison and contrast between S-Reason analysis and control model and conventional risk control method

结合盾构隧道工程的特点，阐明了S-Reason分析及控制模型的组成和应用步骤;通过工程应用及结果对比可知，S-Reason分析及控制模型体现出了组织和个人因素的影响，兼顾了工程的经济性和安全性。

通过对盾构隧道施工期风险管理中人为失误的影响进行初步探讨，有助于提升不同层次人员的风险意识，也有助于改善工程人员的风险管理理念，但人为失误具有模糊性且其控制难度权值不易量化，所以人为失误的分析和量化在工程实践中有待进一步的细化研究和总结。

［1］ 孙钧.隧道和地铁工程建设的风险整治与管理及其在中国的若干进展［C］//地下工程与风险防范技术:2007第三届上海国际隧道工程研讨会文集.上海:上海市土木工程学会，2007:3－20.

［2］ 钱七虎，戎晓力.中国地下工程安全风险管理的现状、问题及相关建议［J］.岩石力学与工程学报，2008，27(4):649 － 655.(QIAN Qihu，RONG Xiaoli.State，issues and relevant recommendations for security risk management of China’s underground engineering［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27(4):649 －655.(in Chinese))

［3］ Thevendran V，Mawdesley M J.Perception of human risk factors in construction projects:An exploratory study［J］.International Journal of Project Management，2004(22):131－137.

［4］ Stewart M G.Simulation of human error in reinforced concrete design［J］.Journal Research in Engineering Design，1992，4(1):51－60.

［5］ Stewart M G.Modeling human performance in reinforced concrete beam construction［J］.Journal of Construction Engineering and Management，1993，119(1):6 －22.

［6］ Canto-Perello J，Curiel-Esparza J.Human factors engineering in utility tunnel design［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，2001(16):211－215.

［7］ 唐群燕.基于人为因素的基坑工程动态风险分析与控制方法研究［D］.上海:同济大学土木工程学院，2009.(TANG Qunyan.Research on dynamic risk analysis and control method of excavation engineering based on human factors［D］.Shanghai:Civil Engineering，Tongji University，2009.(in Chinese))

［8］ 白彦峰.港口工程施工期风险分析与控制研究［D］.上海:同济大学土木工程学院，2010.(BAI Yanfeng.Research on risk analysis and control of port engineering during construction period［D］.Shanghai:Civil Engineering，Tongji University，2010.(in Chinese))

［9］ 王红卫.基于人为因素的地铁盾构隧道施工期风险分析及控制［D］.上海:同济大学土木工程学院，2012.(WANG Hongwei.Risk analysis and control during subway tunnel shield construction based on human factors［D］.Shanghai:Civil Engineering，Tongji University，2012.(in Chinese))

［10］ Baybutt P.Human factors in process safety and risk management:Needs for models，tools and techniques［C］//Proceedings of the international workshop on human factors in offshore operation.New Orleans:US Minerals Management Service，1996:412 －433.

［11］ 谢放.基于Reason－SHEL Model对海事事故人为因素的分析［D］.大连:大连海事大学交通运输管理学院，2007.

［12］ J Reason.Human error［M］.New York:Cambridge University Press，1990:1－34.